Гравитацията е най-мощната сила във Вселената, един от четирите фундаментални принципа на Вселената, който определя нейната структура. Някога благодарение на него са възникнали планети, звезди и цели галактики. Днес той поддържа Земята в орбита по нейното безкрайно пътуване около Слънцето.
Привличането също е от голямо значение за ежедневието на човека. Благодарение на тази невидима сила, океаните на нашия свят пулсират, реките текат и дъждовните капки падат на земята. От детството си усещаме тежестта на тялото си и околните предмети. Влиянието на гравитацията върху нашите икономически дейности също е огромно.
Първата теория за гравитацията е създадена от Исак Нютон в края на 17 век. Неговият Закон за универсалната гравитация описва това взаимодействие в рамките на класическата механика. Това явление е описано по-широко от Айнщайн в неговата обща теория на относителността, публикувана в началото на миналия век. Процесите, протичащи със силата на гравитацията на ниво елементарни частици, трябва да се обяснят с квантовата теория на гравитацията, но тя все още не е създадена.
Днес знаем много повече за природата на гравитацията, отколкото по времето на Нютон, но въпреки вековете на изучаване, тя все още остава истински препъникамък за съвременната физика. Има много бели петна в съществуващата теория за гравитацията и ние все още не разбираме какво точно я генерира и как се пренася това взаимодействие. И, разбира се, ние сме много далеч от възможността да контролираме силата на гравитацията, така че антигравитацията или левитацията ще съществуват дълго време само на страниците на научнофантастичните романи.
Какво падна на главата на Нютон?
Хората винаги са се чудили за природата на силата, която привлича обектите към земята, но едва през 17 век Исак Нютон успява да повдигне завесата на мистерията. Основата за нейния пробив е поставена от трудовете на Кеплер и Галилей, блестящи учени, които изучават движението на небесните тела.
Дори век и половина преди Закона за всеобщото привличане на Нютон, полският астроном Коперник вярва, че привличането не е „... нищо повече от естествено желание, с което бащата на Вселената е надарил всички частици, а именно да се обединят в едно общо цяло, образувайки сферични тела.” Декарт смята привличането за следствие от смущения в световния етер. Гръцкият философ и учен Аристотел беше сигурен, че масата влияе върху скоростта на падащите тела. И едва Галилео Галилей в края на 16 век доказва, че това не е вярно: ако няма съпротивление на въздуха, всички обекти се ускоряват еднакво.
Противно на популярната легенда за главата и ябълката, на Нютон му отне повече от двадесет години, за да разбере природата на гравитацията. Неговият закон за гравитацията е едно от най-значимите научни открития на всички времена. Той е универсален и ви позволява да изчислявате траекториите на небесните тела и да описвате точно поведението на обектите около нас. Класическата теория за гравитацията постави основите на небесната механика. Трите закона на Нютон дадоха на учените възможност да открият нови планети буквално „на върха на писалката си“; в крайна сметка благодарение на тях човекът успя да преодолее земната гравитация и да лети в космоса. Те внесоха строга научна основа във философската концепция за материалното единство на Вселената, в която всички природни явления са взаимосвързани и се управляват от общи физически правила.
Нютон не само публикува формула, позволяваща да се изчисли силата, която привлича телата едно към друго, той създаде пълен модел, който включваше и математически анализ. Тези теоретични заключения са многократно потвърдени в практиката, включително с помощта на най-съвременни методи.
В теорията на Нютон всеки материален обект генерира притегателно поле, което се нарича гравитационно. Освен това силата е пропорционална на масата на двете тела и обратно пропорционална на разстоянието между тях:
F = (G m1 m2)/r2
G е гравитационната константа, която е равна на 6,67 × 10−11 m³/(kg s²). Хенри Кавендиш е първият, който го изчислява през 1798 г.
В ежедневието и в приложните дисциплини силата, с която земята привлича едно тяло, се нарича неговото тегло. Привличането между всеки два материални обекта във Вселената е това, което е гравитацията с прости думи.
Силата на гравитацията е най-слабото от четирите фундаментални взаимодействия на физиката, но поради свойствата си тя е способна да регулира движението на звездни системи и галактики:
- Привличането работи на всяко разстояние, това е основната разлика между гравитацията и силните и слабите ядрени взаимодействия. С увеличаване на разстоянието ефектът му намалява, но никога не става равен на нула, така че можем да кажем, че дори два атома, разположени в различни краища на галактиката, имат взаимно влияние. Просто е много малък;
- Гравитацията е универсална. Полето на привличане е присъщо на всяко материално тяло. Учените все още не са открили обект на нашата планета или в космоса, който да не участва в този тип взаимодействие, така че ролята на гравитацията в живота на Вселената е огромна. Това отличава гравитацията от електромагнитното взаимодействие, чието влияние върху космическите процеси е минимално, тъй като в природата повечето тела са електрически неутрални. Гравитационните сили не могат да бъдат ограничени или екранирани;
- Гравитацията действа не само върху материята, но и върху енергията. За него химичният състав на обектите няма значение, има значение само тяхната маса.
С помощта на формулата на Нютон може лесно да се изчисли силата на привличане. Например, гравитацията на Луната е няколко пъти по-малка от тази на Земята, тъй като нашият спътник има сравнително малка маса. Но това е достатъчно, за да се образуват правилни приливи и отливи в Световния океан. На Земята гравитационното ускорение е приблизително 9,81 m/s2. Освен това на полюсите той е малко по-голям, отколкото на екватора.
Въпреки огромното им значение за по-нататъшното развитие на науката, законите на Нютон имаха редица слабости, които преследваха изследователите. Не беше ясно как гравитацията действа през абсолютно празно пространство на огромни разстояния и с неразбираема скорост. Освен това постепенно започнаха да се натрупват данни, които противоречат на законите на Нютон: например гравитационният парадокс или изместването на перихелия на Меркурий. Стана очевидно, че теорията за универсалната гравитация изисква подобрение. Тази чест се падна на гениалния немски физик Алберт Айнщайн.
Привличането и теорията на относителността
Отказът на Нютон да обсъжда естеството на гравитацията („Не измислям хипотези“) беше очевидна слабост на неговата концепция. Не е изненадващо, че през следващите години се появиха много теории за гравитацията.
Повечето от тях принадлежат към така наречените хидродинамични модели, които се опитват да обосноват възникването на гравитацията чрез механичното взаимодействие на материални обекти с някакво междинно вещество с определени свойства. Изследователите го наричат по различен начин: „вакуум“, „етер“, „гравитонен поток“ и т.н. В този случай силата на привличане между телата възниква в резултат на промени в това вещество, когато се абсорбира от обекти или екранирани потоци. В действителност всички подобни теории имаха един сериозен недостатък: доста точно предсказвайки зависимостта на гравитационната сила от разстоянието, те трябваше да доведат до забавяне на телата, които се движат спрямо „етера“ или „потока на гравитон“.
Айнщайн подходи към този въпрос от различен ъгъл. В неговата обща теория на относителността (ОТО) гравитацията се разглежда не като взаимодействие на сили, а като свойство на самото пространство-време. Всеки обект, който има маса, го кара да се огъва, което причинява привличане. В този случай гравитацията е геометричен ефект, който се разглежда в рамките на неевклидовата геометрия.
Просто казано, пространствено-времевият континуум засяга материята, причинявайки нейното движение. И тя от своя страна влияе на пространството, „казвайки“ му как да се огъва.
Силите на привличане действат и в микрокосмоса, но на ниво елементарни частици тяхното влияние в сравнение с електростатичното взаимодействие е незначително. Физиците смятат, че гравитационното взаимодействие не е било по-ниско от другите в първите моменти (10 -43 секунди) след Големия взрив.
Понастоящем концепцията за гравитацията, предложена в общата теория на относителността, е основната работна хипотеза, приета от по-голямата част от научната общност и потвърдена от резултатите от многобройни експерименти.
В своята работа Айнщайн е предвидил удивителните ефекти на гравитационните сили, повечето от които вече са потвърдени. Например способността на масивни тела да огъват светлинните лъчи и дори да забавят течението на времето. Последното явление трябва да се вземе предвид при работа с глобални сателитни навигационни системи като GLONASS и GPS, в противен случай след няколко дни грешката им ще бъде десетки километри.
В допълнение, следствие от теорията на Айнщайн са така наречените фини ефекти на гравитацията, като гравимагнитното поле и съпротивлението на инерциалните отправни системи (известен също като ефект на Ленс-Тиринг). Тези прояви на гравитация са толкова слаби, че не могат да бъдат открити дълго време. Едва през 2005 г., благодарение на уникалната мисия на НАСА Gravity Probe B, беше потвърден ефектът на Lense-Thirring.
Гравитационното излъчване или най-фундаменталното откритие на последните години
Гравитационните вълни са вибрации на геометричната пространствено-времева структура, които се движат със скоростта на светлината. Съществуването на това явление също е предсказано от Айнщайн в Общата теория на относителността, но поради слабостта на гравитационната сила неговата величина е много малка, така че не може да бъде открита дълго време. Само косвени доказателства подкрепят съществуването на радиация.
Подобни вълни се генерират от всякакви материални обекти, движещи се с асиметрично ускорение. Учените ги описват като „вълнички в пространство-времето“. Най-мощните източници на такова лъчение са сблъскващи се галактики и колабиращи системи, състоящи се от два обекта. Типичен пример за последния случай е сливането на черни дупки или неутронни звезди. По време на такива процеси гравитационното излъчване може да пренесе повече от 50% от общата маса на системата.
Гравитационните вълни бяха открити за първи път през 2015 г. от две обсерватории LIGO. Почти веднага това събитие получи статута на най-голямото откритие във физиката през последните десетилетия. През 2017 г. е удостоен с Нобелова награда. След това учените успяха да открият гравитационно лъчение още няколко пъти.
Още през 70-те години на миналия век - много преди експерименталното потвърждение - учените предложиха използването на гравитационно лъчение за комуникация на дълги разстояния. Неговото безспорно предимство е високата му способност да преминава през всяко вещество, без да се абсорбира. Но в момента това едва ли е възможно, защото има огромни трудности при генерирането и приемането на тези вълни. И все още нямаме достатъчно реални познания за природата на гравитацията.
Днес няколко инсталации, подобни на LIGO, работят в различни страни по света и се изграждат нови. Вероятно в близко бъдеще ще научим повече за гравитационното излъчване.
Алтернативни теории за всемирната гравитация и причините за тяхното създаване
В момента доминиращата концепция за гравитацията е общата теория на относителността. Целият съществуващ масив от експериментални данни и наблюдения е в съответствие с него. В същото време той има голям брой очевидни слабости и спорни въпроси, така че опитите за създаване на нови модели, които обясняват природата на гравитацията, не спират.
Всички теории за универсалната гравитация, разработени до момента, могат да бъдат разделени на няколко основни групи:
- стандартен;
- алтернатива;
- квантова;
- единна теория на полето.
Опити за създаване на нова концепция за универсалната гравитация са направени още през 19 век. Различни автори включват в нея етерната или корпускулярната теория на светлината. Но появата на Общата теория на относителността сложи край на тези изследвания. След публикуването му целта на учените се промени - сега усилията им бяха насочени към подобряване на модела на Айнщайн, включвайки нови природни явления в него: въртенето на частиците, разширяването на Вселената и др.
До началото на 80-те години физиците експериментално отхвърлиха всички концепции, с изключение на тези, които включват общата теория на относителността като неразделна част. По това време „струнните теории“ излязоха на мода и изглеждаха много обещаващи. Но тези хипотези никога не са били експериментално потвърдени. През последните десетилетия науката достигна значителни висоти и натрупа огромно количество емпирични данни. Днес опитите за създаване на алтернативни теории за гравитацията са вдъхновени главно от космологични изследвания, свързани с концепции като „тъмна материя“, „инфлация“, „тъмна енергия“.
Една от основните задачи на съвременната физика е обединяването на две фундаментални направления: квантовата теория и общата теория на относителността. Учените се опитват да свържат привличането с други видове взаимодействия, като по този начин създават „теория за всичко“. Точно това прави квантовата гравитация – клон на физиката, който се опитва да предостави квантово описание на гравитационните взаимодействия. Разклонение на тази посока е теорията за примковата гравитация.
Въпреки активните и дългогодишни усилия тази цел все още не е постигната. И това дори не е сложността на този проблем: просто квантовата теория и общата теория на относителността се основават на напълно различни парадигми. Квантовата механика се занимава с физически системи, работещи на фона на обикновеното пространство-време. А в теорията на относителността самото пространство-време е динамичен компонент, зависещ от параметрите на разположените в него класически системи.
Наред с научните хипотези за универсалната гравитация има и теории, които са много далеч от съвременната физика. За съжаление през последните години подобни „опуси“ просто наводниха интернет и рафтовете на книжарниците. Някои автори на такива произведения обикновено информират читателя, че гравитацията не съществува, а законите на Нютон и Айнщайн са измислици и измама.
Пример са трудовете на „учения“ Николай Левашов, който твърди, че Нютон не е открил закона за всемирното притегляне, а само планетите и нашият спътник Луната имат гравитационна сила в Слънчевата система. Този „руски учен” дава доста странни доказателства. Един от тях е полетът на американската сонда NEAR Shoemaker до астероида Ерос, който се състоя през 2000 г. Левашов смята, че липсата на привличане между сондата и небесното тяло е доказателство за фалшивостта на трудовете на Нютон и конспирацията на физиците, които крият от хората истината за гравитацията.
Всъщност космическият кораб успешно изпълни мисията си: първо влезе в орбитата на астероида, а след това направи меко кацане на повърхността му.
Изкуствена гравитация и защо е необходима
Има две концепции, свързани с гравитацията, които, въпреки текущия си теоретичен статус, са добре известни на широката общественост. Това са антигравитация и изкуствена гравитация.
Антигравитацията е процес на противодействие на силата на привличане, който може значително да я намали или дори да я замени с отблъскване. Овладяването на такава технология би довело до истинска революция в транспорта, авиацията, изследването на космоса и би променило радикално целия ни живот. Но в момента възможността за антигравитация дори няма теоретично потвърждение. Освен това, въз основа на общата теория на относителността, подобно явление изобщо не е възможно, тъй като в нашата Вселена не може да има отрицателна маса. Възможно е в бъдеще да научим повече за гравитацията и да се научим да строим самолети на този принцип.
Изкуствената гравитация е причинена от човека промяна в съществуващата сила на гравитацията. Днес наистина не се нуждаем от такава технология, но ситуацията определено ще се промени след началото на дългосрочните космически пътувания. И въпросът е в нашата физиология. Човешкото тяло, „свикнало“ в продължение на милиони години на еволюция към постоянната гравитация на Земята, възприема ефектите от намалената гравитация изключително негативно. Дългият престой дори в условия на лунна гравитация (шест пъти по-слаба от земната) може да доведе до тежки последици. Илюзията за привличане може да се създаде с помощта на други физически сили, като инерция. Такива опции обаче са сложни и скъпи. В момента изкуствената гравитация няма дори теоретична обосновка, очевидно е, че възможното й практическо прилагане е въпрос на много далечно бъдеще.
Гравитацията е концепция, позната на всички още от училище. Изглежда, че учените трябваше да проучат задълбочено този феномен! Но гравитацията остава най-дълбоката мистерия за съвременната наука. И това може да се нарече отличен пример за това колко ограничено е човешкото познание за нашия огромен и прекрасен свят.
Ако имате въпроси, оставете ги в коментарите под статията. Ние или нашите посетители ще се радваме да им отговорим
В природата съществуват различни сили, които характеризират взаимодействието на телата. Нека разгледаме силите, които възникват в механиката.
Гравитационни сили.Вероятно първата сила, чието съществуване човекът е осъзнал, е силата на гравитацията, действаща върху тела от Земята.
И отне много векове, за да разберат хората, че силата на гравитацията действа между всякакви тела. И отне много векове, за да разберат хората, че силата на гравитацията действа между всякакви тела. Английският физик Нютон е първият, който разбира този факт. Анализирайки законите, управляващи движението на планетите (законите на Кеплер), той стига до извода, че наблюдаваните закони за движение на планетите могат да бъдат изпълнени само ако между тях съществува сила на привличане, право пропорционална на техните маси и обратно пропорционална на квадрат на разстоянието между тях.
Нютон формулира закон на всемирното притегляне. Всякакви две тела се привличат. Силата на привличане между точковите тела е насочена по правата, която ги свързва, е право пропорционална на масите на двете и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях:
В този случай под точкови тела се разбират тела, чиито размери са многократно по-малки от разстоянието между тях.
Силите на всемирното притегляне се наричат гравитационни сили. Коефициентът на пропорционалност G се нарича гравитационна константа. Стойността му е определена експериментално: G = 6,7 10¯¹¹ N m² / kg².
Земно притеглянедействаща в близост до земната повърхност е насочена към нейния център и се изчислява по формулата:
където g е ускорението на гравитацията (g = 9,8 m/s²).
Ролята на гравитацията в живата природа е много важна, тъй като размерът, формата и пропорциите на живите същества до голяма степен зависят от нейната величина.
Телесно тегло.Нека да разгледаме какво се случва, когато някакъв товар се постави върху хоризонтална равнина (опора). В първия момент след спускането на товара той започва да се движи надолу под действието на гравитацията (фиг. 8).
Равнината се огъва и се появява еластична сила (опорна реакция), насочена нагоре. След като еластичната сила (Fу) балансира силата на гравитацията, спускането на тялото и отклонението на опората ще спрат.
Отклонението на опората е възникнало под действието на тялото, следователно върху опората от страната на тялото действа определена сила (P), която се нарича теглото на тялото (фиг. 8, b). Според третия закон на Нютон теглото на тялото е равно на силата на реакция на земята и е насочена в обратна посока.
P = - Fу = Fтежък.
Телесно тегло се нарича силата P, с която тялото действа върху неподвижна спрямо него хоризонтална опора.
Тъй като силата на гравитацията (тежестта) е приложена към опората, тя се деформира и поради своята еластичност противодейства на силата на гравитацията. Силите, развити в този случай от страна на опората, се наричат сили на опорна реакция, а самото явление на развитие на противодействието се нарича опорна реакция. Според третия закон на Нютон опорната противодействаща сила е равна по големина на силата на тежестта на тялото и противоположна по посока.
Ако човек върху опора се движи с ускорението на частите на тялото му, насочено от опората, тогава силата на реакция на опората се увеличава с количеството ma, където m е масата на човека и е ускорението, с което части от тялото му се движат. Тези динамични ефекти могат да бъдат записани с помощта на тензометрични устройства (динамограми).
Теглото не трябва да се бърка с телесното тегло. Масата на тялото характеризира неговите инертни свойства и не зависи нито от силата на гравитацията, нито от ускорението, с което се движи.
Теглото на тялото характеризира силата, с която то действа върху опората и зависи както от силата на гравитацията, така и от ускорението на движението.
Например на Луната теглото на едно тяло е приблизително 6 пъти по-малко от теглото на тяло на Земята.Масата и в двата случая е еднаква и се определя от количеството материя в тялото.
В ежедневието, технологиите и спорта теглото често се посочва не в нютони (N), а в килограми сила (kgf). Преходът от една единица към друга се извършва по формулата: 1 kgf = 9,8 N.
Когато опората и тялото са неподвижни, тогава масата на тялото е равна на гравитацията на това тяло. Когато опората и тялото се движат с известно ускорение, тогава, в зависимост от посоката си, тялото може да изпита безтегловност или претоварване. Когато ускорението съвпада по посока и е равно на ускорението на гравитацията, теглото на тялото ще бъде нула, следователно възниква състояние на безтегловност (ISS, високоскоростен асансьор при спускане). Когато ускорението на опорното движение е противоположно на ускорението на свободното падане, човек изпитва претоварване (изстрелване на пилотиран космически кораб от повърхността на Земята, високоскоростен асансьор, издигащ се нагоре).
Гравитацията, известна още като привличане или гравитация, е универсално свойство на материята, което притежават всички обекти и тела във Вселената. Същността на гравитацията е, че всички материални тела привличат всички други тела около тях.
Земна гравитация
Ако гравитацията е общо понятие и качество, което притежават всички обекти във Вселената, то гравитацията е частен случай на това всеобхватно явление. Земята привлича към себе си всички материални обекти, разположени върху нея. Благодарение на това хората и животните могат безопасно да се движат по земята, реките, моретата и океаните могат да останат в бреговете си, а въздухът не може да лети през огромните простори на космоса, но формира атмосферата на нашата планета.
Възниква справедлив въпрос: ако всички обекти имат гравитация, защо Земята привлича хора и животни към себе си, а не обратното? Първо, ние също привличаме Земята към себе си, просто в сравнение със силата на привличане нашата гравитация е незначителна. Второ, силата на гравитацията зависи пряко от масата на тялото: колкото по-малка е масата на тялото, толкова по-ниски са неговите гравитационни сили.
Вторият показател, от който зависи силата на привличане, е разстоянието между обектите: колкото по-голямо е разстоянието, толкова по-малък е ефектът на гравитацията. Благодарение на това планетите се движат по своите орбити и не падат една върху друга.
Прави впечатление, че Земята, Луната, Слънцето и други планети дължат сферичната си форма именно на силата на гравитацията. Той действа по посока на центъра, дърпайки към него веществото, което изгражда „тялото” на планетата.
Гравитационното поле на Земята
Гравитационното поле на Земята е силово енергийно поле, което се образува около нашата планета поради действието на две сили:
- земно притегляне;
- центробежна сила, която дължи появата си на въртенето на Земята около оста си (денонощно въртене).
Тъй като както гравитацията, така и центробежната сила действат постоянно, гравитационното поле е постоянно явление.
Полето е леко повлияно от гравитационните сили на Слънцето, Луната и някои други небесни тела, както и от атмосферните маси на Земята.
Законът за всемирното притегляне и сър Исак Нютон
Английският физик сър Исак Нютон, според известна легенда, един ден, докато се разхождал в градината през деня, видял Луната в небето. В същото време от клона падна ябълка. Тогава Нютон изучава закона на движението и знае, че ябълката пада под въздействието на гравитационно поле, а Луната се върти в орбита около Земята.
И тогава брилянтният учен, озарен от прозрение, излезе с идеята, че може би ябълката пада на земята, подчинявайки се на същата сила, благодарение на която Луната е в орбитата си, а не се втурва произволно из цялата галактика. Така е открит законът за всемирното привличане, известен още като третия закон на Нютон.
На езика на математическите формули този закон изглежда така:
Е=GMm/D 2 ,
Където Е- силата на взаимното притегляне между две тела;
М- маса на първото тяло;
м- маса на второто тяло;
D 2- разстоянието между две тела;
Ж- гравитационна константа, равна на 6,67x10 -11.
Първо, нека си представим Земята като неподвижна топка (фиг. 3.1, а). Гравитационната сила F между Земята (маса M) и обект (маса m) се определя по формулата: F=Жmm/r 2
където r е радиусът на Земята. Константата G е известна като универсална гравитационна константаи изключително малък. Когато r е постоянно, силата F е const. м. Привличането на тяло с маса m от Земята определя теглото на това тяло: W = mg сравнението на уравненията дава: g = const = GM/r 2.
Привличането на тяло с маса m от Земята кара то да пада „надолу” с ускорение g, което е постоянно във всички точки A, B, C и навсякъде по земната повърхност (фиг. 3.1,6).
Диаграмата на силата на свободното тяло също показва, че върху Земята действа сила от тяло с маса m, която е насочена противоположно на силата, действаща върху тялото от Земята. Въпреки това, масата M на Земята е толкова голяма, че „нагоре“ ускорението a на Земята, изчислено по формулата F = Ma, е незначително и може да бъде пренебрегнато. Земята има форма, различна от сферична: радиусът на полюса r r е по-малък от радиуса на екватора r e. Това означава, че силата на привличане на тяло с маса m на полюса F p = GMm/r 2 p е по-голяма от тази на екватора F e = GMm/r e . Следователно ускорението на свободното падане g p на полюса е по-голямо от ускорението на свободното падане g e на екватора. Ускорението g се променя с географската ширина в съответствие с промяната на радиуса на Земята.
Както знаете, Земята е в постоянно движение. Той се върти около оста си, като прави един оборот всеки ден и се движи по орбита около Слънцето с оборот от една година. За простота, приемайки Земята като хомогенна топка, нека разгледаме движението на тела с маса m на полюс А и на екватор С (фиг. 3.2). За един ден тялото в точка А се завърта на 360°, оставайки на място, докато тялото в точка С изминава разстояние от 2l. За да може тяло, разположено в точка C, да се движи по кръгова орбита, е необходима някаква сила. Това е центростремителна сила, която се определя по формулата mv 2 /r, където v е скоростта на тялото в орбита. Силата на гравитационно привличане, действаща върху тяло, разположено в точка C, F = GMm/r, трябва:
а) осигуряват движението на тялото в кръг;
б) привличат тялото към Земята.
Така F = (mv 2 /r)+mg на екватора и F = mg на полюса. Това означава, че g се променя с географската ширина, тъй като орбиталният радиус се променя от r в точка C до нула в точка A.
Интересно е да си представим какво би се случило, ако скоростта на въртене на Земята се увеличи толкова много, че центростремителната сила, действаща върху тяло на екватора, ще стане равна на силата на гравитацията, т.е. mv 2 /r = F = GMm/r 2 . Общата гравитационна сила ще се използва единствено за поддържане на тялото в точка С в кръгова орбита и няма да остане никаква сила, действаща на повърхността на Земята. Всяко по-нататъшно увеличаване на скоростта на въртене на Земята би позволило на тялото да „отлети“ в космоса. В същото време, ако космически кораб с астронавти на борда бъде изстрелян на височина R над центъра на Земята с такава скорост v, че да е изпълнено равенството mv*/R=F = GMm/R 2, тогава този космически кораб ще се върти около Земята в условия на безтегловност.
Точните измервания на гравитационното ускорение g показват, че g варира в зависимост от географската ширина, както е показано в таблица 3.1. От това следва, че теглото на определено тяло се променя над повърхността на Земята от максимум на ширина 90° до минимум на ширина 0°.
На това ниво на обучение малките промени в ускорението g обикновено се пренебрегват и се използва средната стойност от 9,81 m-s 2 . За да се опростят изчисленията, ускорението g често се приема като най-близкото цяло число, т.е. 10 m-s - 2, и по този начин силата на привличане, действаща от Земята върху тяло с тегло 1 kg, т.е. тегло, се приема като 10 N. Повечето изпитни комисии предлагат използвайки g=10 m-s - 2 или 10 N-kg -1 за изпитваните за опростяване на изчисленията.
Не е тайна, че законът за всемирното привличане е открит от великия английски учен Исак Нютон, който според легендата се разхождал във вечерната градина и размишлявал върху проблемите на физиката. В този момент от дървото падна ябълка (според една версия, директно върху главата на физика, според друга, тя просто падна), която по-късно стана известната ябълка на Нютон, тъй като доведе учения до прозрение, еврика. Ябълката, която падна върху главата на Нютон, го вдъхнови да открие закона за всемирното притегляне, защото Луната на нощното небе остана неподвижна, но ябълката падна, може би ученият смяташе, че някаква сила действа на Луната (което я кара да се върти в орбита), така че върху ябълката, карайки я да падне на земята.
Сега, според някои историци на науката, цялата тази история за ябълката е просто красива измислица. Всъщност не е толкова важно дали ябълката е паднала или не, важното е, че ученият наистина е открил и формулирал закона за всемирното притегляне, който днес е един от крайъгълните камъни както на физиката, така и на астрономията.
Разбира се, много преди Нютон хората са наблюдавали както неща, падащи на земята, така и звезди в небето, но преди него те са вярвали, че има два вида гравитация: земна (действаща изключително в рамките на Земята, карайки телата да падат) и небесна ( действащ върху звезди и луна). Нютон е първият, който комбинира тези два вида гравитация в главата си, първият, който разбира, че има само една гравитация и нейното действие може да се опише с универсален физичен закон.
Определение на закона за всемирното притегляне
Според този закон всички материални тела се привличат, като силата на привличане не зависи от физичните или химичните свойства на телата. Зависи, ако всичко е максимално опростено, само от теглото на телата и разстоянието между тях. Освен това трябва да вземете предвид факта, че всички тела на Земята се влияят от гравитационната сила на самата планета, която се нарича гравитация (от латински думата "gravitas" се превежда като тежест).
Нека сега се опитаме да формулираме и запишем закона за всемирното привличане възможно най-кратко: силата на привличане между две тела с маси m1 и m2 и разделени на разстояние R е право пропорционална на двете маси и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях.
Формула за закона за всемирното притегляне
По-долу представяме на вашето внимание формулата на закона за всемирното привличане.
G в тази формула е гравитационната константа, равна на 6.67408(31) 10 −11, това е величината на въздействието на гравитационната сила на нашата планета върху всеки материален обект.
Законът за всемирното притегляне и безтегловността на телата
Законът за всемирното привличане, открит от Нютон, както и съпътстващият го математически апарат, по-късно формират основата на небесната механика и астрономията, тъй като с негова помощ е възможно да се обясни природата на движението на небесните тела, както и явлението на безтегловност. Намирайки се в космоса на значително разстояние от силата на привличане и гравитация на такова голямо тяло като планета, всеки материален обект (например космически кораб с астронавти на борда) ще се окаже в състояние на безтегловност, тъй като силата на гравитационното влияние на Земята (G във формулата на закона за гравитацията) или някоя друга планета вече няма да му влияе.
Закон за всемирното притегляне, видео
И в заключение едно поучително видео за откриването на закона за всемирното привличане.
